Stefan Góralczyk, Danuta Kukielska IMBiGS Paweł Gambal, Adam Żurek KGHM Ecoren S.A., Departament Rozwoju, Lubin Summary The division of aggregates, requirements and testing methods have been included, along with comparative quality analysis. The analysis involved the range of 100 aggregates, manufactured by 95 producers. The aggregates have been tested by IMBiGS in the years 2006010. For the analysis, the accepted results concerned the 8/16 fraction. The research was representative for all types of aggregates produced in Poland. The analysis involved basic technological properties of aggregates, such as: resistance to crushing, grindability, thermal shock resistance, absorbability and freeze resistance. The values gained for particular properties have been related to the PN-EN 12620 and PN-EN 13043 standards. The quality of aggregates produced in Poland has been presented, basing on the tests results. The possibility of expanding raw materials base beyond traditional materials applied has been discussed. Kruszywa pomiedziowe a naturalne które lepsze? Według szacunków ekspertów (1) w Polsce na drogi krajowe, autostrady, drogi ekspresowe i obwodnice potrzeba będzie od 11 mln ton w 2010 r. do 73 mln ton w 2013 roku różnego rodzaju kruszyw. Dodatkowo należy uwzględnić potrzeby kolejnictwa i budownictwa. Poziom zaawansowania technicznego tych zastosowań kruszywa wywołuje zapotrzebowanie na kruszywo wysokiej jakości. Zgodnie z podziałem kruszyw zawartym w normach PN-EN, wyróżniamy następujące kruszywa naturalne i sztuczne, a z tych można wyodrębnić kruszywa z recyklingu. Wszystkie te grupy kruszyw są równoprawne, jeśli chodzi o ich zastosowanie. Produkcja kruszyw pomiedziowych Kruszywa pomiedziowe produkowane są zarówno z żużla z pieca szybowego, jak i żużla z pieca elektrycznego Huty Miedzi Głogów. Ecoren produkuje około 1 mln ton kruszyw pomiedziowych rocznie, co daje około 10% udziału w rynku kruszyw sztucznych w Polsce. Aktualnie KGHM Ecoren zagospodarowuje całość żużli szybowych produkowanych przez KGHM Polska Miedź S.A. Żużel szybowy jest produktem odpadowym powstającym w trakcie przetopu brykietowanego koncentratu miedzi w piecu szybowym (8). W stanie płynnym, w temperaturze około 1200 C, transportowany jest kadziowozami na miejsce składowania hałdę (fot. 2). Po wylaniu żużla na hałdzie następuje jego krzepnięcie i powolne studzenie w warunkach atmosferycznych. Produkcja żużla z pieca elektrycznego Huty Miedzi Głogów Technologia produkcji kruszyw z żużla z pieca elektrycznego polega na wylewaniu płynnego żużla kadziowozami do specjalnych dołów żużlowych (fot. 1) w warstwach określonej grubości, w określonych przedziałach czasowych (10). Takie rozwiązanie gwarantuje uzyskanie wymaganych parametrów fizykochemicznych oraz bezpieczne i sprawne urabianie złoża. 39
40 Jakość kruszyw pomiedziowych w porównaniu z kruszywami ze skał naturalnych W analizie wykorzystano wyniki badań kruszyw z krajowych złóż wykonanych w Laboratorium Badania Maszyn Roboczych i Górniczych Instytutu Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego w latach 2005010 (6). Analizę wykonano dla 101 asortymentów kruszywa wyprodukowanego w 95 zakładach. Porównano wyniki badań poniżej wymienionych rodzajów kruszywa: kruszywo z żużla z pieca szybowego z Huty Miedzi Legnica (1); Wobliczu planowanych inwestycji w Polsce konieczne jest powiększenie zasobowej bazy surowcowej również o surowce wtórne. Obecnie w wielu dziedzinach tradycyjnie wykorzystuje się tylko niektóre surowce, a z rezerwą traktuje inne. Z prowadzonych badań wynika, że surowce wtórne są równie dobre jak naturalne, a kruszywa z nich produkowane nie ustępują im swoimi właściwościami. Od p o r n o ś ć n a r o z d r a b n i a n i e, LA PN-EN 1097:2000 Z pieca szybowego Legnica 16 Z pieca szybowego Głogów 15 LA 15 Z pieca elektrycznego Głogów 27 Żużel (4) 153 LA 15 Gabro (2) 135 LA 15 Melafir (3) 71 LA 15 Bazalt (12) 63 LA 15 2 Szarogłaz (1) 16 LA 15 Amfibolit (2) 129 Dolomit (8) 115 LA 15 LA 15 Sjenit (1) 19 Żwir (13) z przewagą Żwir kruszony (15) 185 160 Węglan (6) 182 164 Wapień (3) 240 Gnejs (1) 34 Granit, granitognejs (5) 213 Kwarcyt (2) 212 ziarn węglanowych 211 Tab. 1. Odporność kruszywa na rozdrabnianie (współczynnik LA) dekl. 2 kruszywo z żużla z pieca szybowego z Huty Miedzi Głogów (1); kruszywo z żużla z pieca elektrycznego z Huty Miedzi Głogów (1); kruszywo z żużla (4); gabro (2); melafir (4); bazalt (12); amfibolit (2); dolomit (9); sjenit (1); węglan (7); wapień (3); gnejs (1); granit, granitognejs (5); kwarcyt (2); szarogłaz (1); żwir (13) z przewagą ; żwir kruszony (15), ; żwir (10) z przewagą ; żwir (10) z przewagą. Analizowano wyniki badań kruszyw dla frakcji 86 mm. Wyniki odnoszono do wymagań zawartych w normach: PN-EN 12620 Kruszywo do betonu i PN-EN 13043 Kruszywo do mieszanek bitumicznych. Porównywano właściwości fizykomechaniczne, które określają jakość kruszywa i decydują o jego przydatności do określonych zastosowań, a więc takie właściwości, które w istotny sposób mogą wpłynąć na jakość wyrobu, w którym zostały zastosowane: odporność na rozdrabnianie, współczynnik LA wg PN-EN 1097:2000/A1:2008; odporność na ścieranie, współczynnik wg PN -EN 1097:2000/A1:2004; odporność na polerowanie PSV wg PN-EN 1097-8:2002; odporność na ścieranie powierzchniowe w warunkach drogowych AAV; odporność na szok termiczny wg PN-EN 1367-5:2004; nasiąkliwość wg PN-EN 1097:2002/AC:2004/ Ap1:2005/A1:2006; mrozoodporność F wg PN-EN 1367:2007. W pierwszej kolumnie każdej tabeli (tab. 1) podano surowiec, z którego wyprodukowano kruszywo, a w nawiasach liczbę badanych próbek w danej grupie kruszyw. W ostatniej kolumnie tablic podano liczbę próbek, które spełniają wymagania dla danej kategorii.
Od p o r n o ś ć n a ścieranie, PN-EN 1097 Z pieca szybowego Legnica 3 10 Z pieca szybowego Głogów 3 10 Z pieca elektrycznego Głogów 7,7 10 Żużel (4) 31 10 15 Sjenit (1) 10 10 Melafir (4) 64 Gabro (2) 104 63 Granit, granitognejs (5) 76 Bazalt (12) 78 Dolomit (9) 78 Amfibolit (2) 96 Kwarcyt (2) 107 Żwir (13) z przewagą ziarn magmowych Żwir kruszony (14) 31 96 Węglan (7) 139 200 Wapień (3) 188 10 15 10 15 10 15 25 10 15 20 10 15 20 10 15 20 10 20 10 20 10 15 20 25 10 15 20 25 30 15 20 25 30 35 15 20 25 40 20 30 dekl. Gnejs (1) 25 25 Szarogłaz (1) 23 25 Tab. 2. Odporność kruszywa na ścieranie (współczynnik ) Odporność na rozdrabnianie Kruszywa z melafiru, gabra, szarogłazu i bazaltu osiągają najwyższą kategorię odporności na rozdrabnianie. W tej grupie mieści się również kruszywo z żużla z huty Głogów (łącznie 23% badanych kruszyw). Uwzględniając dwie najwyższe kategorie, liczba kruszyw wzrasta do 38% i obejmuje wszystkie kruszywa żużlowe. Najniższe odnotowane w badaniach kategorie i niższe osiągają kruszywa z wapieni, gnejsu, granitu, kwarcytu oraz żwiru węglanowego. Odporność na ścieranie Najwyższą odpornością na ścieranie 10 charakteryzują się kruszywa z żużla, sjenitu, melafiru, Odporność na polerowanie, PSV PN-EN 1097 Z pieca szybowego Legnica 42 dekl. Z pieca szybowego Głogów 48 Z pieca elektrycznego Głogów 48 Żużel (4) 420 dekl. Gnejs (1) 59 Szarogłaz (1) 58 451 Kwarcyt (2) 516 Amfibolit (2) 494 Żwir kruszony (15) 395 Węglan (6) 416 Bazalt (12) 442 Gabro (2) 493 Żwir (7) z przewagą Żwir (13) z przewagą 433 423 dekl. 1 dekl. 1 dekl. 3 Melafir (4) 525 Sjenit (1) 52 Dolomit (6) 417 dekl. Wapień (3) 423 dekl. Tab. 3. Odporność kruszywa na polerowanie PSV gabra oraz przeważająca liczba kwarcowych kruszyw żwirowych, kruszyw granitowych i bazaltowych. Najwyższą kategorię osiąga 27% badanych kruszyw, w tym oba kruszywa produkowane przez Ecoren. Kruszywa pomiedziowe z Huty Głogów i Legnica oraz niektóre żwirowe zawierające głównie ziarna magmowe i metamorficzne osiągają wyjątkowo wysoką odporność na ścieranie parametr ten nie przekracza wskaźnika 3. Słabą odporność na ścieranie uzyskały żwiry węglanowe i kruszywa wapienne. Odporność na polerowanie W badaniach wykonanych w IMBiGS najlepsze wartości polerowalności mieściły się w kategorii, trzeciej w kolejności w normach. Taką polerowalność osiągnęły kruszywa z gnejsu, szarogłazu oraz niektóre kruszywa kwarcytowe, amfibolitowe, węglanowe, pomiedziowe i żwirowe kruszone. W zakresie tego parametru wystąpiło najwięcej kruszyw poza kategoriami przewidzianymi w normach. Najwyższą osiągniętą w badaniach kategorię uzyskało 9% badanych kruszyw, zaś 14% nie uzyskało 41
Odporność na ścieranie powierzchniowe, AAV PN-EN 1097 Z pieca szybowego Legnica 2 AAV 10 Z pieca szybowego Głogów 2 AAV 10 Z pieca elektrycznego Głogów 3,6 AAV 10 Żużel (4) 2 AAV 10 Amfibolit (2) 5 AAV 10 Bazalt (12) 2 AAV 10 2 Dolomit (9) 70 AAV 10-9 Gabro (2) 3 AAV 10 Gnejs (1) 5 AAV 10 Granit, granitognejs (5) 3 AAV 10 Kwarcyt (2) 1 AAV 10 Melafir (4) 3 AAV 10 Sjenit (1) 4 AAV 10 Szarogłaz (1) 4 AAV 10 Żwir (7) z przewagą Żwir (8) z przewagą Żwir kruszony (13) 1 AAV 10 2 AAV 15 2 AAV 10 0 2 Węglan (4) 25 Tab. 4. Odporność kruszywa na ścieranie powierzchniowe AAV AAV 10 2 AAV 15 AAV 10 AAV 15 Szok termiczny PN-EN 1367:2004 Ubytek masy Sp a d e k w y t r z y m a ł o ś c i V LA Z pieca szybowego Legnica 0,2 1 Z pieca szybowego Głogów 0,4 1 Z pieca elektrycznego Głogów 0,7 0 Żużel (4) 0,2-0,7 0 Amfibolit (2) 0,03 1 Bazalt (12) 0,02-0,1 1 Dolomit (9) 0,03,8 1 Wapień (3) 0,3-0,1 10 Węglan (7) 0,04-0,6 2-9 Gabro (2) 0,0-0,1 0 Gnejs (1) 0,3 0 Granit, granitognejs (5) 0,02 0 Kwarcyt (2) 0,2 0 Melafir (4) 0,02-0,1 1 Sjenit (1) 0,03 3 Szarogłaz (1) 1,2 2 Żwir kruszony (13) Żwir (8) z przewagą ziarn kwarcowych Żwir (12) z przewagą ziarn magmowych Żwir (9) z przewagą Tab. 5. Odporność kruszywa na szok termiczny 0,1-1 0,1-0,3 1 0,1-0,3 0 0,1-1 42 żadnej kategorii. Najniższą kategorię przewidzianą w normie osiągnęło najwięcej badanych kruszyw (41%). Odporność na ścieranie powierzchniowe Zdecydowana większość badanych kruszyw (95%, w tym wszystkie pomiedziowe) osiągnęła najwyższą kategorię ścieralności powierzchniowej. Odporność na szok termiczny Ubytek masy kruszyw poddanych szokowi termicznemu w prawie wszystkich przypadkach nie przekroczył 0,7%. Szok termiczny nie spowodował spadku wytrzymałości w przypadku 7 próbek kruszywa. Kruszywa pomiedziowe z żużla z Huty Głogów i Legnica wykazały niski ubytek masy (0,2% i 0,4%) oraz bardzo niski spadek wytrzymałości na poziomie 1. Maksymalne spadki wytrzymałości miały miejsce w próbkach kruszywa wapiennego i węglanowego (90). Nasiąkliwość Najkorzystniejszą nasiąkliwością, nieprzekraczającą 1%, charakteryzuje się zdecydowana większość kruszyw (67%), w tej grupie znalazły się również kruszywa pomiedziowe. Pojedyncze próbki kruszywa z dolomitu, węglanów, żwirów magmowo-metamorficznych i węglanowych przekraczają granicę 1%. Większość kruszyw bazaltowych wykazuje nasiąkliwość powyżej 1%, dwie próbki kruszywa (dolomitowe, a także żwir węglanowy) charakteryzowały się nasiąkliwością powyżej 2%. Mrozoodporność Badane próbki kruszywa w zdecydowanej większości (68%) osiągnęły najwyższą kategorię mrozoodporności. Taką mrozoodporność wykazały również kruszywa produkowane z żużli pomiedziowych. Tylko w 6% próbek odnotowano najniższą kategorię, a w trzech przypadkach kruszywo nie odpowiadało żadnej kategorii (wartość deklarowana). Dotyczyło to kruszyw węglanowych i żwirów węglanowych. Substancje niebezpieczne W przypadku kruszyw pomiedziowych pewne obawy budzi przekonanie, że mogą one zawierać zwiększoną zawartość substancji szkodliwych. Porównanie wyników uzyskanych dla różnych kruszyw metodami aktualnie obowiązującymi w Polsce pokazuje (tab. 8), że poziom zawartości wymywalnych substancji niebezpiecznych jest taki sam jak dla innych rodzajów kruszywa. Podobne obawy budzi także promieniotwórczość naturalna. Jak pokazują badania przeprowadzone w ciągu kilku ostatnich lat, zawartość pierwiastków promieniotwórczych w kruszywie pomiedziowym pozostawała zawsze
Z pieca szybowego Legnica Z pieca szybowego Głogów Z pieca elektrycznego Głogów % Na s i ąk l i w o ś ć, % PN-EN 1097 Ocena 0,4 < 1 < 1 0,7 < 1 Żużel (4) 0,4- < 1 Amfibolit (2) 0,6 < 1 Szarogłaz (1) < 1 Sjenit (1) 0,3 < 1 Gabro (2) 0,3-0,4 < 1 Granit, granitognejs (5) 0,3-0,7 < 1 Kwarcyt (2) 0,3-0,7 < 1 Wapień (3) 0,3-0,4 < 1 Żwir kruszony (12) 0,4,6 0,7,4 Dolomit (7),4 Żwir (13) z przewagą 0,3,4 Melafir (3) 0,8,3 Tab. 6. Nasiąkliwość kruszyw,3 Węglan (7) 0,3,8 Bazalt (11),7 < 11 > 1 < 1-9 > 1 < 1 > 1 < 1 > 1 < 1 > 1 < 1 > 1 < 1 > 1 < 1 > 1 na bezpiecznym poziomie w stosunku do wartości dopuszczalnych (tab. 9). Podsumowanie W ciągu ostatnich lat w IMBiGS przebadano znaczącą ilość produkowanych w Polsce kruszyw. Na podstawie tych badań można stwierdzić, że w Polsce produkowane są w przeważającej ilości kruszywa wysokiej jakości. Zarówno parametry dotyczące odporności na różne czynniki, jak i nasiąkliwość i mrozoodporność odpowiadają najwyższej kategorii dla tych parametrów. Jedynie odporność na polerowanie plasuje się zwykle w niższych kategoriach. Bardzo korzystne wartości wszystkich omawianych właściwości osiągnęły kruszywa z gabra, amfibolitowe, a także granitowe, kwarcytowe, sjenitowe i z szarogłazu. W tej grupie kruszyw o najwyższej jakości znalazły się kruszywa produkowane z żużli pomiedziowych. Dobrą jakość produkowanych kruszyw potwierdza odniesienie wyników do stawianych wymagań. W zależności od kategorii ruchu dla każdego zastosowania kruszywa, zarówno do betonu asfaltowego, jak i warstwy ścieralnej lub warstwy wiążącej, Wymagania Techniczne WT (7) stawiają niższe wymagania % Na s i ąk l i w o ś ć, % PN-EN 1367 Z pieca szybowego Legnica 0,4 Z pieca szybowego Głogów 0,2 Z pieca elektrycznego Głogów 0,2 Żużel (4) 0,2-0,7 Amfibolit (2) 0,8 Gabro (2) 0,2-0,3 Granit, granitognejs (3) 0,2- Kwarcyt (2) Sjenit (1) 0,2 Szarogłaz (1) 0,9 Żwir (8) z przewagą ziarn kwarcowych Bazalt (9) 0,1,5 Wapień (3) 0,2,1 Żwir (13) z przewagą ziarn magmowych 0,2 0,1,0 Dolomit (8) 0,4,8 Żwir kruszony (8) 0,1,3,9 Melafir (2) 0,7,8 Węglan (4) 0,7 dekl. 1 2 dekl. Gnejs (1) 1,4 Tab. 7. Mrozoodporność kruszyw niż parametry osiągane przez badane kruszywa. Do wymienionych zastosowań niezbędne są kruszywa od do LA 50. Nawet właściwość, która w badaniach osiągnęła najniższy poziom, tj. PSV, wg WT waha się od PSV deklarowane do. Wnioski Na podstawie powyższej analizy można wyciągnąć trzy podstawowe wnioski, mianowicie: 1. Kruszywa produkowane w Polsce wykazują zróżnicowaną jakość daje to możliwość racjonalnego wyboru kruszywa do konkretnego zastosowania, warunkującego niezbędny poziom jakości. 2. Porównanie jakości różnych kruszyw pozwala na odrzucenie funkcjonujących stereotypów powodujących niechęć do stosowania niektórych kruszyw w określonych zastosowaniach. 3. Kruszywo z żużli pomiedziowych charakteryzuje się wysoką jakością, porównywalną z kruszywami ze skał twardych (np. bazalt, melafir, gabro). q Piśmiennictwo 1. Zapaśnik W.: Zapotrzebowanie kruszyw na drogi krajowe w latach 2010013. Bilans zasobów polskiego budownictwa drogowego. Materiały podstawowe: kruszywa, cement, asfalt. Polski Kongres Drogowy, Warszawa, 9.11.2009 r. 43
Fot. 2. Wylewanie żużla z pieca szybowego na hałdę Za w a r t o ś ć u w a l n i a n y c h substancji niebezpiecznych, m g /l Cd Cr Cu Ni Pb Zn Ba Sposób badania PN-EN 1744:2003 PN-EN1233:2000 PN-IRO 8288:2002 PN2/C-045070.05 Wy n ik i b a d a ń k r u s z y w ż u ż l o w yc h Ec o r e n w latach 2006010 0,052 0,08 0,067 0,018 4 ż w i r o w e Przykładowe wyniki b a z a l t o w e w a p i e n n e Do p u s z c z a l n e stężenia* Tab. 8. Zawartość uwalnianych substancji niebezpiecznych * Wymagania wg Rozporządzenia Ministra Środowiska z 28.01.2009 r. w sprawie warunków, jakie należy spełniać przy wprowadzaniu ścieków do wód lub ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego 0,086 < 0,09 0,02 0,08 0,100 < 0,09 0,897 < 0,01 0,086 0,2 2 2 Pr o m i e n i o t w ó r c z o ś ć n a t u r a l n a f 1 max f 2 max, Bq/kg Promieniotwórczość naturalna f 1 max f 2 max, Bq/kg Sposób badania Wyniki badań kruszyw z żużla szybowego Ecoren w latach 2006010 Instrukcja ITB 234/06 Sposób badania Instrukcja ITB 234/06 1,61 328,44 1,46 288,04 0,12 281 Wyniki badań kruszyw z żużla elektrycznego Ecoren 1,47 308,00 1,73 360,40 Do p u s z c z a l n e z a w a r t o ś c i* 2 400 Dopuszczalne zawartości* Tab. 9. Promieniotwórczość naturalna * Wymagania wg Rozporządzenia Rady Ministrów z 2.01.2007 r. w sprawie wymagań dotyczących zawartości naturalnych izotopów promieniotwórczych w surowcach i materiałach stosowanych w budynkach przeznaczonych na pobyt ludzi i inwentarza, a także w odpadach przemysłowych stosowanych w budownictwie, oraz kontroli zawartości tych izotopów 2 400 44 2. Kabziński A.: Kruszywa w Polsce w latach 1989008. Forum Producentów Kruszyw, Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego, Warszawa, 17.11.2009 r. 3. Kabziński A.: Zapotrzebowanie kruszyw na drogi krajowe w latach 2010013. Bilans zasobów polskiego budownictwa drogowego. Materiały podstawowe: kruszywa, cement, asfalt. Polski Kongres Drogowy, Warszawa, 9.11.2009 r. 4. Góralczyk S., Kukielska D.: Europejskie kierunki prac normalizacyjnych dotyczących kruszyw sztucznych i z recyklingu. Konferencja Kruszywa mineralne, Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej, Szklarska Poręba, 146.04.2010 r. 5. Sprawozdania ekspertyzy z badań, IMBiGS, Warszawa 2006010. 6. Góralczyk S., Kukielska D.: Stan prawny regulujący zawartości metali ciężkich w materiałach budowlanych w Polsce i Unii Europejskiej. 7. Wymagania Techniczne WT. IBDiM, Warszawa 2008. 8. Starowicz A., Gambal P.: Wykorzystanie żużli pomiedziowych do produkcji kruszyw drogowych. Wrocław 2008. 9. Gambal P.: Żużle pomiedziowe ich natura oraz przydatność gospodarcza. 2008. 10. Gambal P., Starowicz A., Galos K.: Nowe sposoby zagospodarowania żużli pomiedziowych w perspektywie realizacji projektu EURO 2012 w Polsce. Kraków 2009. 11. Gambal P., Starowicz A.: Żużel odpadowy z pieca elektrycznego Huty Miedzi Głogów jako surowiec do produkcji kruszyw. Wrocław 2010. 12. Gambal P., Starowicz A., Żurek A.: Zmienić żużel w kruszywo. 2010.